EP0958073B1 - Procede et installation de coulee continue des metaux - Google Patents

Procede et installation de coulee continue des metaux Download PDF

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EP0958073B1
EP0958073B1 EP97919471A EP97919471A EP0958073B1 EP 0958073 B1 EP0958073 B1 EP 0958073B1 EP 97919471 A EP97919471 A EP 97919471A EP 97919471 A EP97919471 A EP 97919471A EP 0958073 B1 EP0958073 B1 EP 0958073B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
injected
mould
walls
metal
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP97919471A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0958073A1 (fr
Inventor
Jean-Marc Jolivet
Eric Perrin
Cosimo Salaris
Jacques Spiquel
Edouard Weisseldinger
Marc Burty
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forges et Acieries de Dilling SA
Ascometal SA
Sollac SA
Ugitech SA
Sogepass
Original Assignee
Forges et Acieries de Dilling SA
Ascometal SA
Sollac SA
Ugine Savoie Imphy SA
Sogepass
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forges et Acieries de Dilling SA, Ascometal SA, Sollac SA, Ugine Savoie Imphy SA, Sogepass filed Critical Forges et Acieries de Dilling SA
Publication of EP0958073A1 publication Critical patent/EP0958073A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0958073B1 publication Critical patent/EP0958073B1/fr
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/041—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds for vertical casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/0401—Moulds provided with a feed head

Definitions

  • the present invention relates to continuous casting metals, especially steel.
  • the continuous casting operation consists schematically as we know, to pour a metal into fusion in an ingot mold, essentially constituted a bottomless tubular element defining a passage for cast metal, but whose walls, in copper or more generally made of copper alloy, are energetically cooled by circulation of water, and which we also continuously extract a product already solidified externally over a few centimeters thick. Solidification then progresses towards the product axis and ends during the descent of this downstream of the mold in the so-called zone of "secondary cooling" due to ramps water sprinkler. The product obtained, bloom, billet or slab, is then cut to length, then laminated before shipping to customers or processing on site, bars, wires, profiles, plates, sheets, etc.
  • the molten metal brought in the mold by a nozzle, forms a film solid when it comes into contact with the walls cooled from the mold.
  • This film is driven down during the extraction of the product, by jerky movements to the rhythm of the oscillations vertical of the mold, and simultaneously its thickness increases due to continued extraction of heat produced by the walls of the mold.
  • the ring contraction is all the more important that the heat extraction is strong and that cast metal has a natural tendency to contract during cooling, for example by changing solid phase at the end of solidification, as is the case especially for steel grades with 0.1% carbon or AISI 304 stainless steel.
  • This perimeter contraction tends to cause a separation of the solidified skin from the wall of the mold, and therefore a decrease in the exchange thermal because the contact of said skin with cold walls is degraded.
  • This separation is generally uneven depending on the perimeter of the skin solidified, which is a source of surface defects in the product finally obtained.
  • a technique particular not yet industrialized known as name of continuous casting in vertical load, consists of place above the cooled metal walls of the ingot mold an extension of a refractory material thermally insulating, and to be maintained during casting the free surface of the metal bath at the level of the said enhances (French patent n ° 2000365). So the metal in does not solidify on contact with the riser, the first solidified skin just starting to form from the upper edges of the metal wall cooled.
  • an improvement consists in injecting in the mold, at the level of the said enhancer and at less fair at the interface between it and the walls cooled metal, an inert gas under pressure.
  • This gas injection carried out by a thin slit annular formed between said walls and the extension, forms jets perpendicular to the walls and directed towards the liquid metal, which shear possible solidified skins which are formed on contact with the refractory extension, so as to ensure a start of effective solidification precisely at the edge top of the cooled walls.
  • the object of the present invention is to resolve these problems and particularly aims to allow, in the continuous casting technique with vertical load, a control and easy adaptation of conditions heat flow extraction, especially in the area where solidification begins.
  • the object of the invention is a continuous metal casting process whereby uses an ingot mold with metal walls energetically cooled topped by an extension thermally insulating material, it is maintained, during casting, the free surface of the molten metal contained in the mold at the level of the so-called enhancer, and we injects into the mold, around its entire periphery, a gas under pressure, at the level of said riser and at least at the interface between it and the cooled walls.
  • this process is characterized in that the said injected gas is a gas or gas mixture having a adjustable thermal expansion capacity, and in that regulates the so-called front thermal expansion capacity injection of gas into the mold, depending on the composition of the cast metal alloy and casting conditions, to adapt to this composition and these conditions the density of the heat flux extracted from the says metal alloy in the area where it starts to get solidify to a specific predetermined value of the cast alloy,
  • the method according to the invention thus offers a possibility of easily adapting as required the heat flux density extracted from metal cast in level where solidified skin is formed, especially depending on the composition of said metal, especially the nuance in the case of steel casting.
  • the inventors have in fact observed, during casting tests carried out by injecting an inert gas, such as argon or helium, at the interface between the riser and the cooled metal walls, that the flux density extract was strongly influenced by the thermal expansion capacity of the gas.
  • an inert gas such as argon or helium
  • the flux density extracted over the first 40 millimeters from the upper edge of the metal walls was around 5 MW / m 2 when the temperature of the injected argon was around 500 ° C, and was only 4.2 or even 3.2 MW / m 2 when the temperature of the argon injected was around 100 ° C.
  • the temperature of the injected gas is adjustable between 50 and 600 ° C., this range of adjustment making it possible to fix the temperature of the gas at a predetermined value such that the density of extracted heat flux is between 2 , 5 and 6 MW / m 2 , thus providing wide possibilities of adaptation depending on the composition of the cast metal alloy and the various other casting parameters.
  • the gas temperature is set by mixing in a volumetric ratio determined gas from a hot spring to substantially constant temperature, for example at 700 ° C with gas from a cold source also at substantially constant temperature, for example at 20 ° C.
  • the total flow rate of gas injected is the sum of the flow rates of gases from the two sources respectively. The report between these flows makes it possible to vary the temperature of the injected gas, while maintaining flow total substantially constant. Practically, taking inevitable heat losses, and with the temperatures of the two sources mentioned above, we may vary the temperature of the gas injected between 50 and 600 ° C.
  • the mixing of gases is carried out in a mixing chamber located in the walls of the ingot mold and / or in the riser, the gas temperature injected being adjusted by adjusting the gas flow rates from hot and cold springs, respectively and introduced into said room.
  • the gas injected is a mixture of at least two gases constituting the mixture, by example of argon and helium, which we adjust thermal expansion capacity by adjusting the proportions relative of said constituent gases.
  • the constituent gases of the mixture have different physical properties, especially different densities, to adjust, depending on their relative proportions, the density of the mixture.
  • different physical properties of gases injected such as thermal diffusivity and above all density, influence, for the same difference between the temperature of the injected gas and that of the molten steel, the expansion of said gas bubbles.
  • the invention also relates to an installation for continuous casting of metals comprising an ingot mold of which the walls are formed by metal walls cooled topped by a material extension thermally insulating, and injection ports opening into the ingot mold to inject into the ingot mold gas under pressure in the form of jets distributed around the periphery of the mold at the level of the enhances and at least at the interface between said enhancement and the metal wall, characterized in that it includes means for supplying said gas, connected to said orifices, allowing to adjust the capacity thermal expansion of the injected gas.
  • Said means of gas supply can include means for adjusting the gas temperature injected, or means for adjusting the proportion relative of at least two gases constituting a mixture gaseous forming the injected gas.
  • the installation of casting has two gas sources connected to a chamber mixing, itself connected to said orifices, and means for adjusting the gas flow rates from respectively said sources and introduced into the mixing chamber.
  • the mixing chamber is located outside the mold and connected to a channel distribution arranged in the wall of the mold.
  • the mixing chamber is located in the wall of the mold.
  • the mixing chamber can in particular be constituted by a first chamber of distribution fitted in the riser and connected to the source of hot gases and a second distribution in the metal walls and connected to the cold source.
  • the mix or the distribution channel can also be fully fitted in the metal walls cooled.
  • the walls of these can be coated with a material thermally insulating.
  • the walls 1 of the mold shown in Figure 1 consist of metal walls 2, copper or copper alloy, topped with a 3 in thermally insulating refractory material.
  • the walls metallic 2 are energetically cooled by a internal circulation of water in channels 4, shown schematically in the figure.
  • Extension 3 is consisting of an upper part 5, with a height of 200 mm for example, in a very insulating material and of a lower part 6 of refractory material possibly less insulating but having a better mechanical resistance, for example the material known as SiAlON, and having for example a thickness of 20 mm.
  • the walls 1 of the ingot mold define a passage for the cast product, in which the steel fusion 7 is conventionally brought by a nozzle 8 comprising vents 9 located at the height of said extension 3.
  • the ingot mold also has holes gas injection, opening to the inner surface walls 1, at the interface between the extension 3 and the metal wall 2, preferably constituted by a continuous slit around the edge of the mold, ensuring well a regular injection of gas on everything periphery.
  • This narrow slot 10 has a height of a few tenths of a millimeter, for example 0.2 mm, determined by a spacer 11 inserted between the lower part 6 of the extension and the metal wall 2, on the side outside the walls. Slot 10 opens to the surface inside the walls of the mold, all over around it.
  • a distribution channel 12 is arranged in the metal wall 2, in the form of a groove made on the upper face of said metal wall and communicating with the slot 10 around the entire periphery of the mold.
  • the casting installation also includes a hot source 13 of inert gas, for example argon, heated to a temperature of about 700 ° C by means of heating known per se, and a cold source 14 of the same gas, maintained at room temperature, for example 20 ° C.
  • a hot source 13 of inert gas for example argon
  • a cold source 14 of the same gas maintained at room temperature, for example 20 ° C.
  • the pressurized gas from of the mixing chamber 17 is distributed in the channel 12 and is injected into the mold through the slot 10.
  • the temperature of the gas thus injected can be adjusted at means of valves 15 and 16 by acting on the ratio of gas flow rates from each source, respectively.
  • the distribution channel 12 could also be made in refractory riser 3, which presents the advantage of limiting the heat losses of the gas from the made of the high temperature, of the order of 800 ° C, of the so-called enhancement. It is however easier to carry out the machining of the distribution channel in the wall metallic 2, and in this case, to limit the cooling of the gas in contact with the metal of the wall, whose temperature is only around 100 ° C, the walls of the said canal may be coated with a insulating material, such as zirconia or nitride boron.
  • a second groove 22 is made in the lower part 6 of the extension, opposite the groove 12 and also in communication with the slot 10.
  • the hot source 13 of gas is connected via valve 15 directly to this groove 22, and the cold source 14 is connected via the valve 16 to the groove 12.
  • the volume defined by these two grooves constitutes both a distribution chamber and a mixing chamber located entirely in the wall 1 of the mold.
  • the invention is not limited to variants described above only by way of example, and in the temperature of the gas injected may be regulated by means other than the mixture of hot gases and cold indicated above.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)
  • Forging (AREA)
  • Treatment Of Steel In Its Molten State (AREA)
  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
  • Coating With Molten Metal (AREA)

Description

La présente invention concerne la coulée continue des métaux, notamment de l'acier.
L'opération de coulée continue consiste schématiquement comme on le sait, à verser un métal en fusion dans une lingotière, essentiellement constituée d'un élément tubulaire sans fond définissant un passage pour le métal coulé, mais dont les parois, en cuivre ou plus généralement en alliage de cuivre, sont énergiquement refroidies par circulation d'eau, et de laquelle on extrait également en continu un produit déjà solidifié extérieurement sur quelques centimètres d'épaisseur. La solidification progresse ensuite vers l'axe du produit et s'achève au cours de la descente de celui-ci en aval de la lingotière dans la zone dite du "refroidissement secondaire" sous l'effet de rampes d'arrosage d'eau. Le produit obtenu, bloom, billette ou brame, est ensuite découpé à longueur, puis laminé avant expédition à la clientèle ou transformation sur place, en barres, fils, profilés, plaques, tôles, etc..
Les défauts de surface ou sous-cutanés des produits issus de la coulée continue de l'acier sont souvent cause de rebut, car l'opération de laminage les supporte mal, voire les amplifie jusqu'à dégrader de façon intolérable la qualité métallurgique des produits laminés.
Au cours de la coulée, le métal en fusion, amené dans la lingotière par une busette, forme une pellicule solide lors de son entrée en contact avec les parois refroidies de la lingotière. Cette pellicule est entraínée vers le bas lors de l'extraction du produit, par mouvements saccadés au rythme des oscillations verticales de la lingotière, et simultanément son épaisseur croít du fait de la poursuite de l'extraction de chaleur réalisée par les parois de la lingotière. Il y a donc continuellement création d'une nouvelle pellicule de métal solide au niveau de la surface libre du métal dans la lingotière, cette pellicule se solidifiant sur tout le périmètre de la paroi interne de la lingotière et constituant un anneau solide susceptible de se contracter du fait du refroidissement subi lors de sa descente dans la lingotière.
La contraction de anneau est d'autant plus importante que l'extraction de chaleur est forte et que le métal coulé a une tendance naturelle à se contracter lors du refroidissement, par exemple par changement de phase solide en fin de solidification, comme c'est le cas notamment pour des nuances d'acier à 0,1% de carbone ou d'acier inoxydable AISI 304.
Cette contraction périmétrique tend à provoquer un écartement de la peau solidifiée par rapport à la paroi de la lingotière, et donc une diminution de l'échange thermique du fait que le contact de la dite peau avec les parois froides est dégradé. Ce décollement est généralement inégal selon le périmètre de la peau solidifiée, ce qui est source de défauts de surface dans le produit finalement obtenu.
Pour éviter ou limiter ces défauts, une technique particulière non encore industrialisée, connue sous le nom de coulée continue en charge verticale, consiste à placer au dessus des parois métalliques refroidies de la lingotière une rehausse en un matériau réfractaire thermiquement isolant, et à maintenir en cours de coulée la surface libre du bain métallique au niveau de la dite rehausse (brevet français n°2000365). Ainsi le métal en fusion ne se solidifie pas au contact de la rehausse, la première peau solidifiée commençant seulement à se former à partir des arêtes supérieures de la paroi métallique refroidie. Et comme ces arêtes sont situées suffisamment en dessous de la zone agitée voisine de la surface libre, la création et la croissance de la peau solide est réalisée en continu toujours au même niveau de la lingotière, dans un environnement calme au plan hydrodynamique, là où la pression ferrostatique exercée par la masse de métal liquide située au dessus contrarie les vélléités de décollement de la première peau solidifiée contre la paroi froide de la lingotière.
Dans cette dernière technique, un perfectionnement, connu par le document EP-A-O 620 062, consiste à injecter dans la lingotière, au niveau de la dite rehausse et au moins juste à l'interface entre celle-ci et les parois métalliques refroidies, un gaz inerte sous pression. Cette injection de gaz, réalisée par une mince fente annulaire ménagée entre les dites parois et la rehausse, forme des jets perpendiculaires aux parois et dirigés vers le métal liquide, qui cisaillent les éventuelles peaux solidifiées qui se seraient formées au contact de la rehausse réfractaire, de manière à assurer un début de solidification effectif précisément au niveau du bord supérieur des parois refroidies.
Si cette technique permet en principe de réduire l'apparition de certains défauts de surface du produit fini, elle ne permet cependant pas de résoudre les problèmes concernant l'adaptation du procédé de coulée aux différentes familles de nuances d'acier coulables en continu, pour tenir compte des spécificités de chacune quant à leur comportement thermomécanique au moment de la solidification.
On connaít aussi, par EP 035 958, un procédé et un dispositif de coulée utilisant une coquille qui comporte, au-dessus d'une paroi poreuse au niveau de laquelle le métal commence à se solidifier, une paroi en surplomb, maintenue à température élevée pour éviter la solidification du métal au contact de cette paroi. La paroi poreuse permet d'injecter entre celle-ci et le métal, et sous le surplomb, un gaz à température voisine de celle du métal coulé formant une sorte de coussin chaud empêchant une solidification prématurée du métal. Le refroidissement et la solidification du métal coulé sont assurés directement par pulvérisation d'eau en dessous de la paroi poreuse, sans autre paroi de soutien. Ce dispositif est cependant réservé à la coulée de métaux non ferreux à température de fusion basse, nettement plus basse que celle de l'acier.
La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes et vise particulièrement à permettre, dans la technique de la coulée continue en charge verticale, un contrôle et une adaptation aisée des conditions d'extraction du flux thermique, notamment dans la zone où débute la solidification.
Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé de coulée continue des métaux selon lequel on utilise une lingotière comportant des parois métalliques énergiquement refroidies surmontées d'une rehausse en matériau thermiquement isolant, on maintient, au cours de la coulée, la surface libre du métal en fusion contenu dans la lingotière au niveau de la dite rehausse, et on injecte dans la lingotière, sur tout son pourtour, un gaz sous pression, au niveau de la dite rehausse et au moins à l'interface entre celle-ci et les parois refroidies. Selon l'invention, ce procédé est caractérisé en ce que le dit gaz injecté est un gaz ou mélange gazeux ayant une capacité d'expansion thermique ajustable, et en ce qu'on règle la dite capacité d'expansion thermique avant l'injection du gaz dans la lingotière, en fonction de la composition de l'alliage métallique coulé et des conditions de coulée, pour adapter à cette composition et ces conditions la densité du flux thermique extrait du dit alliage métallique dans la zone où il commence à se solidifier à une valeur prédéterminée spécifique de l'alliage coulé,
Le procédé selon l'invention offre ainsi une possibilité d'adapter aisément selon les besoins la densité de flux thermique extrait du métal coulé au niveau où se forme la peau solidifiée, en particulier en fonction de la composition du dit métal, notamment de la nuance dans le cas de la coulée d'acier.
Les inventeurs ont en effet constaté, lors d'essai de coulée réalisés en injectant un gaz inerte, tel que de l'argon ou de l'hélium, à l'interface entre la rehausse et les parois métalliques refroidies, que la densité de flux extrait était fortement influencée par la capacité d'expansion thermique du gaz. Ainsi, dans le cas de la coulée d'un acier à 0,8 % de carbone dans une lingotière dont les parois refroidies étaient en réalisées en alliage de cuivre non revêtu, et avec une vitesse de coulée de 1,5 m/mn, la densité de flux extrait sur les 40 premiers millimètres à partir du bord supérieur des parois métalliques était d'environ 5 MW/m2 lorsque la température de l'argon injecté était d'environ 500°C, et était seulement de 4,2 ou même 3,2 MW/m2 lorsque la température de l'argon injecté était d'environ 100°C. Lors d'un autre essai réalisé avec une lingotière dont les parois refroidies étaient revêtues sur leur face supérieure d'une couche de 1,5 mm de nickel, pour la coulée d'un acier à 0,09 % de carbone et avec une vitesse de coulée de 2 m/mn, le flux extrait était de 5,5 MW/m2 pour une température d'argon injecté de 500°C, et de seulement 3,5 MW/m2 pour une température d'argon de 100°C.
Ces écarts importants de la valeur du flux extrait ne pouvaient pas s'expliquer par l'influence de la seule température du gaz sur l'acier coulé, lequel est à une température de l'ordre de 1600°C dans la partie supérieure de la lingotière. Une hypothèse formulée par les inventeurs est que cet écart résulte d'une part de l'effet de brassage de l'acier liquide provoqué par le gaz injecté au voisinage direct de l'arrête supérieure des parois métalliques refroidies, où s'initie la solidification, et d'autre part, et de manière prépondérante, de l'influence des bulles de gaz formées juste à la sortie des orifices d'injection. Concernant cette influence, on peut considérer que les dites bulles ont, juste avant de passer dans l'acier liquide, une dimension à peu près uniforme, déterminée par les dimensions des orifices d'injection, et cela quelle que soit la température du gaz injecté. Lorsque ces bulles arrivent dans l'acier en fusion, leur température passe quasi instantanément à la température de l'acier. Il en résulte une augmentation de volume des bulles par dilatation du gaz dont elles sont formées. L'expansion volumique des bulles est d'autant plus forte que la variation de température est grande. Il en résulte que, une fois portées à la température de l'acier en fusion, les bulles sont d'autant plus grosses que la température du gaz injecté est faible. Or des bulles plus grosses formées juste à la sortie des orifices d'injection, et donc juste au niveau de l'arête supérieure des parois refroidies, vont en quelque sorte empêcher l'acier liquide d'arriver en contact direct avec le bord supérieur de ces parois, et donc réduire de manière importante le flux thermique extrait par ces parois, alors que des bulles plus petites empêcheront moins ce contact direct, ne réduisant donc que peu le flux extrait. On notera que l'importance de l'effet de ces bulles est dû au fait que le flux thermique extrait par les parois refroidies, en cas d'un contact direct du métal coulé sur ces dites parois, décroít très rapidement en fonction de la distance verticale à partir de la dite arête, et que l'effet de barrière thermique des bulles de gaz se produit essentiellement à proximité directe de la dite arête, et donc justement dans la zone où le flux thermique normalement extrait par les parois refroidies est le plus élevé.
Selon une première variante, pour ajuster la capacité d'expansion thermique du gaz injecté, on règle donc la température du dit gaz.
Selon une disposition particulière de l'invention, la température du gaz injecté est réglable entre 50 et 600° C, cette plage de réglage permettant de fixer la température du gaz à une valeur prédéterminée telle que la densité de flux thermique extrait soit comprise entre 2,5 et 6 MW/m2, fournissant ainsi de larges possibilités d'adaptation en fonction de la composition de l'alliage métallique coulé et des divers autres paramètres de coulée.
Préférentiellement, la température du gaz est réglée en mélangeant dans un rapport volumétrique déterminé du gaz provenant d'une source chaude à température sensiblement constante, par exemple à 700°C avec du gaz provenant d'une source froide également à température sensiblement constante, par exemple à 20°C. Le débit total de gaz injecté est la somme des débits de gaz issus respectivement des deux sources. Le rapport entre ces débits permet de faire varier la température du gaz injecté, tout en permettant de conserver un débit total sensiblement constant. Pratiquement, en tenant compte des pertes thermiques inévitables, et avec les températures des deux sources mentionnées ci-dessus, on pourra faire varier la température du gaz injecté entre 50 et 600° C.
Selon une disposition particulière, permettant notamment de réduire le plus possible les pertes thermiques, le mélange de gaz est effectué dans une chambre de mélange située dans les parois de la lingotière et/ou dans la rehausse, la température du gaz injecté étant ajustée en réglant les débits des gaz provenant respectivement des sources chaudes et froides et introduits dans la dite chambre.
Selon une autre variante, le gaz injecté est un mélange d'au moins deux gaz constitutifs du mélange, par exemple de l'argon et de l'hélium, dont on ajuste la capacité d'expansion thermique en réglant les proportions relatives des dits gaz constitutifs. Dans cette variante, on utilise le fait que les gaz constitutifs du mélange ont des propriétés physiques différentes, en particulier des densités différentes, pour ajuster, en fonction de leurs proportions relatives, la densité du mélange. De manière similaire à l'effet, décrit précédemment, de l'influence de l'écart de température entre le gaz injecté et celle de l'acier sur l'expansion volumique des bulles lors de leur arrivée au contact de l'acier en fusion, des propriétés physiques différentes des gaz injectés, telles que diffusivité thermique et surtout masse volumique, influencent, pour un même écart entre la température du gaz injecté et celle de l'acier en fusion, l'expansion des bulles des dits gaz. Dans le cas d'un mélange d'argon et d'hélium, on notera que la masse volumique de l'hélium est environ dix fois plus faible que celle de l'argon. Il s'ensuit que lorsque des bulles de ces deux gaz sont soumises à une même élévation de température, leur expansion volumique est trés différente. On comprend alors que l'effet de l'expansion des bulles d'un mélange de ces gaz, injecté à température sensiblement homogène, varie en fonction de leur proportion dans le mélange, et qu'il suffit donc de régler cette proportion pour ajuster l'intensité du flux thermique extrait de l'acier coulé par les parois refroidies de la lingotière.
L'invention a aussi pour objet une installation de coulée continue des métaux comportant une lingotière dont les parois sont formées par des parois métalliques refroidies surmontées par une rehausse en matériau thermiquement isolant, et des orifices d'injection débouchant dans la lingotière pour injecter dans la lingotière un gaz sous pression sous forme de jets répartis sur le pourtour de la lingotière au niveau de la rehausse et au moins à l'interface entre la dite rehausse et la paroi métallique, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de fourniture du dit gaz, reliés aux dit orifices, permettant d'ajuster la capacité d'expansion thermique du gaz injecté.
Les dits moyens de fourniture de gaz peuvent comporter des moyens de réglage de la température du gaz injecté, ou des moyens de réglage de la proportion relative d'au moins deux gaz constitutifs d'un mélange gazeux formant le gaz injecté.
Préférentiellement, en vue de pouvoir régler aisément la température du gaz injecté ou la proportion des gaz constituant le mélange injecté, l'installation de coulée comporte deux sources de gaz reliées à une chambre de mélange, elle même reliée aux dits orifices, et des moyens de réglage des débits de gaz provenant respectivement des dites sources et introduits dans la chambre de mélange.
Selon une disposition, la chambre de mélange est située à l'extérieur de lingotière et reliée à un canal de répartition aménagé dans la paroi de la lingotière.
Selon une autre disposition, la chambre de mélange est située dans la paroi de la lingotière. Dans ce cas, particulièrement adapté au cas du réglage de la température du gaz injecté, la chambre de mélange peut notamment être constituée par une première chambre de répartition aménagée dans la rehausse et reliée à la source de gaz chauds et une deuxième chambre de répartition aménagée dans les parois métalliques et reliée à la source froide.
Pour faciliter la réalisation, la chambre de mélange ou le canal de répartition peuvent aussi être aménagés entièrement dans les parois métalliques refroidies. Dans ce cas, afin de réduire au minimum le refroidissement du gaz lors de son passage dans la dite chambre de mélange ou dans le dit canal, les parois de ces derniers peuvent être revêtues d'un matériau thermiquement isolant.
D'autres caractéristiques et avantages apparaítront dans la description qui va être faite à titre d'exemple de deux variantes de réalisation d'une installation de coulée continue en charge verticale d'acier, conformes à l'invention.
On se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
  • la figure 1 est une représentation schématique d'une première variante, montrant la partie'supérieure de la lingotière en coupe longitudinale partielle,
  • la figure 2 illustre une deuxième variante de réalisation.
Les parois 1 de la lingotière représentée figure 1 sont constituées de parois métalliques 2, en cuivre ou alliage de cuivre, surmontées d'une rehausse 3 en matériau réfractaire thermiquement isolant. Les parois métalliques 2 sont énergiquement refroidies par une circulation interne d'eau dans des canaux 4, représentés schématiquement sur la figure. La rehausse 3 est constituée d'une partie supérieure 5, d'une hauteur de 200 mm par exemple, en un matériau très isolant et d'une partie inférieure 6 en un matériau réfractaire éventuellement moins isolant mais présentant une meilleure résistance mécanique, par exemple le matériau connu sous la désignation SiAlON, et ayant par exemple une épaisseur de 20 mm.
Les parois 1 de la lingotière définissent un passage pour le produit coulé, dans lequel l'acier en fusion 7 est classiquement amené par une busette 8 comportant des ouïes 9 situées à hauteur de la dite rehausse 3.
La lingotière comporte par ailleurs des orifices d'injection de gaz, débouchant à la surface intérieure des parois 1, à l'interface entre la rehausse 3 et la paroi métallique 2, constitués préférentiellement par une fente continue sur le pourtour de la lingotière, assurant ainsi une injection régulière de gaz sur tout ce pourtour.
Cette fente étroite 10 a une hauteur de quelques dixièmes de millimètres, par exemple 0,2 mm, déterminée par une entretoise 11 insérée entre la partie inférieure 6 de la rehausse et la paroi métallique 2, du coté extérieur des parois. La fente 10 débouche à la surface intérieure des parois de la lingotière, sur tout le pourtour de celle-ci.
Un canal de répartition 12 est aménagé dans la paroi métallique 2, sous forme d'une rainure réalisée sur la face supérieure de la dite paroi métallique et communiquant avec la fente 10 sur tout le pourtour de la lingotière.
L'installation de coulée comporte par ailleurs une source chaude 13 de gaz inerte, par exemple de l'argon, chauffé à une température d'environ 700°C par des moyens de chauffage connus en soi, et une source froide 14 du même gaz, maintenu à la température ambiante, par exemple 20°C. Ces deux sources de gaz sont reliées par des conduits pourvus de vannes de réglage 15, 16 à une chambre de mélange 17 elle même reliée au canal de répartition 12.
Lors d'une coulée, le gaz sous pression provenant de la chambre de mélange 17 se répartit dans le canal 12 et est injecté dans la lingotière par la fente 10. La température du gaz ainsi injectée peut être réglée au moyens des vannes 15 et 16 en agissant sur le rapport des débits de gaz provenant respectivement de chaque source.
Le canal de répartition 12 pourrait également être réalisé dans la rehausse réfractaire 3, ce qui présente l'avantage de limiter les pertes thermiques du gaz du fait de la température élevée, de l'ordre de 800°C, de la dite rehausse. Il est cependant plus aisé de réaliser l'usinage du canal de répartition dans la paroi métallique 2, et dans ce cas, pour limiter le refroidissement du gaz au contact du métal de la paroi, dont la température est seulement de l'ordre de 100°C, les parois du dit canal pourront être revêtues d'un matériau isolant, tel que du zircone ou du nitrure de bore.
Dans la variante de réalisation représentée figure 2, en plus de la rainure 12 réalisée dans la paroi métallique 2, une seconde rainure 22 est réalisée dans la partie inférieure 6 de la rehausse, en face de la rainure 12 et en communication également avec la fente 10. La source chaude 13 de gaz est reliée via la vanne 15 directement à cette rainure 22, et la source froide 14 est reliée via la vanne 16 à la rainure 12. Le volume défini par ces deux rainures constitue à la fois une chambre de répartition et une chambre de mélange située entièrement dans la paroi 1 de la lingotière.
L'invention n'est pas limitée aux variantes décrites ci-dessus uniquement à titre d'exemple, et en particulier la température du gaz injecté pourra être réglée par d'autres moyens que le mélange de gaz chauds et froids indiqué ci dessus.
Dans le cas où on utilise un mélange d'argon et d'hélium dont on ajuste les proportions, on pourra utiliser par exemple une installation telle que celle représentée figure 1, en remplaçant respectivement les sources chaude 13 et froide 14 par des sources d'argon et d'hélium, les vannes de réglage 15 et 16 permettant alors de régler les débits respectifs de ces deux gaz qui se mélangent dans la chambre 17.

Claims (17)

  1. Procédé de coulée continue des métaux selon lequel on utilise une lingotière comportant des parois métalliques (2) énergiquement refroidies surmontées d'une rehausse (3) en matériau thermiquement isolant, on maintient, au cours de la coulée, la surface libre du métal en fusion (7) contenu dans la lingotière au niveau de la dite rehausse, et on injecte dans la lingotière, sur tout son pourtour, un gaz sous pression, au niveau de la dite rehausse et au moins à l'interface entre celle-ci et les parois refroidies, caractérisé en ce que le dit gaz injecté est un gaz ou mélange gazeux ayant une capacité d'expansion thermique ajustable, et en ce qu'on règle la dite capacité d'expansion thermique avant l'injection du gaz dans la lingotière, en fonction de la composition de l'alliage métallique coulé et des conditions de coulée, pour adapter à cette composition et ces conditions la densité du flux thermique extrait du dit alliage métallique dans la zone où il commence à se solidifier à une valeur prédéterminée spécifique de l'alliage coulé.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la capaoité d'expansion thermique du gaz est déterminée de manière que la densité de flux thermique extrait soit comprise entre 2,5 et 6 MW/m2.
  3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour ajuster la capacité d'expansion thermique du gaz injecté, on règle la température du dit gaz.
  4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la température du gaz injecté est réglable entre 50 et 600°.
  5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le gaz est un gaz inerte, tel que de l'argon.
  6. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz injecté est un mélange d'au moins deux gaz constitutifs du mélange, dont on ajuste la capacité d'expansion thermique en réglant les proportions relatives des dits gaz constitutifs.
  7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le gaz injecté est un mélange d'argon et d'hélium.
  8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la capacité d'expansion thermique du gaz injecté est réglée en mélangeant dans un rapport volumétrique déterminé des gaz provenant de deux sources (13, 14).
  9. Procédé selon la revendication 8 en combinaison avec la revendication 3, caractérisé en ce que le mélange de gaz est effectué dans une chambre de mélange (12, 22) située dans les parois (1) de la lingotière et/ou dans la rehausse (3), la température du gaz injecté étant ajustée en réglant les débits des gaz provenant respectivement d'une source chaude (13) à température sensiblement constante et d'une source froide (14) également à température sensiblement constante.
  10. Installation de coulée continue des métaux comportant une lingotière dont les parois (1) sont formées par des parois métalliques refroidies (2) surmontées par une rehausse (3) en matériau thermiquement isolant et des orifices d'injection (10) débouchant dans la lingotière pour injecter dans la lingotière un gaz sous pression sous forme de jets répartis sur le pourtour de la lingotière au niveau de la rehausse et au moins à l'interface entre la dite rehausse et la paroi métallique, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (13 à 17) de fourniture du dit gaz, reliés aux dits orifices, et des moyens de réglage de la capacité d'expansion thermique du gaz injecté dans la lingotière.
  11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que les dits moyens de réglage comportent des moyens de réglage de la température du gaz injecté.
  12. Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce que les dits moyens de réglage comportent des moyens de réglage de la proportion relative d'au moins deux gaz constitutifs d'un mélange gazeux formant le gaz injecté.
  13. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que les dits moyens de fourniture de gaz comportent deux sources (13 et 14) de gaz reliées à une chambre de mélange (17; 12,22), elle même reliée aux dits orifices, et des moyens (15,16) de réglage des débits de gaz provenant respectivement des dites sources et introduits dans la chambre de mélange.
  14. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que la chambre de mélange (17) est située à l'extérieur de lingotière et reliée à un canal de répartition (12) aménagé dans la paroi (1) de la lingotière.
  15. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que la chambre de mélange (12,22) est située dans la paroi (1) de la lingotière.
  16. Installation selon la revendication 15 en combinaison avec la revendication 11, caractérisée en ce que la chambre de mélange est constituée par une première chambre de répartition (22) aménagée dans la rehausse (3) et reliée à une source (13) de gaz chaud et une deuxième chambre de répartition (12) aménagée dans les parois métalliques (2) et reliée à une source froide (14).
  17. Installation selon la revendication 15, caractérisée en ce que les parois de la dite chambre de mélange (12) sont revêtues d'un matériau thermiquement isolant.
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